地面數字電視不間斷電源系統搭建

王 麟，聶廣才

（安徽廣播電視臺，安徽 合肥 230022）

責任編輯:任健男

隨著廣播電視事業的發展，近年來許多廣播電視發射臺的設備逐步進行了固態化、數字化改造，使播出系統的穩定度和可靠性得到增強，整個廣電傳輸信道的質量得以提高。但是新設備中包含大量的計算機控制、數字調制和網絡通信模塊，需要高質量的、不間斷的電源支持，否則供電的不穩定容易造成設備損壞和工作不正常。不間斷電源系統（UPS）正是可以給負載提供不間斷、干凈、穩定、無頻率突變、抗干擾、全天候、高質量、正弦波電源的設備，一方面，UPS能夠穩定輸出電壓，有效保護數字播出設備，另一方面，UPS能在市電斷電的同時自動切換為蓄電池供電。此外，UPS內部裝有濾波器還能夠凈化電源，減少或避免電網上的干擾波對播出的影響以及對播出設備造成的損害。

1 原數字電視系統的供電方式及弊端

大蜀山發射臺是安徽省的中心骨干臺，也是全省最早開展數字電視試驗和播出的臺站，地面數字系統包括21CH國標標清傳輸系統和38CH國標高清傳輸系統兩部分。系統原先采用一主一備兩路外電電源，以此確保安全供電，主、備電源的切換方式有人工切換和斷電自動切換。這種配備方式可能帶來以下弊端：

1）停電事故

電源自動切換雖然能在一定程度上避免停電引起的長時間停播，但倒換時間大約在0.3～0.5 s左右，由于發射機的響應時間遠低于此，加上設備從斷電到恢復需要一定時間，仍會造成節目播出中斷，所以兩路供電仍不能保證供電連續性。

2）供電瞬間中斷

供電閃斷時，因時間較短，外電往往不會自動倒換，這種情況下，傳統的模擬設備在電源瞬間中斷后能夠立即恢復工作，有時甚至不會導致停播，設備一般也不會損壞。但數字設備在瞬間斷電后往往需要很長時間才能恢復，容易造成一定時間的停播，而且電源閃斷帶來的沖擊還極易對數字設備造成危害。

3）電壓波動范圍大

市電電網上接有各種大功率用電設備，這些設備的啟閉會造成電壓大幅波動，嚴重影響供電質量。按照國家標準，廣播發射機房供電電壓波動應小于±5%，所以對引入的市電必須進行穩壓處理，大蜀山發射臺雖然采用的是帶調壓功能的變壓器，可適當改善電壓波動情況，但在市電質量很差的情況下，改善后的電壓仍不能達到標準。

4）電網雜波干擾嚴重

供電電網上連接有大量中、高頻設備，導致了各種雜波、非線性負載引起的波形畸變、電網工頻波動、毛刺、浪涌等電源干擾。而數字設備對此更加敏感，干擾容易影響到設備的運行安全，甚至會造成設備誤動作。

大蜀山發射臺地面數字系統中的主要設備為上海明珠DTV-1000型和同方吉兆國標/CMMB數字1 kW型發射機，與另一部38CH的CMMB的數字發射機在出現以上4種供電異常狀況下，經常會出現設備重啟、控制系統紊亂、數字調制器（激勵器）參數變動、功放封鎖、器件損壞等狀況，其頻度大大高于大蜀山發射臺其余20多部非數字發射機，一旦數字電視進一步推廣，數字節目的播出納入監測考核體系，如此頻繁地停播和設備損壞是發射臺所無法承受的，因此發射臺的地面數字系統需要更可靠的電源系統來支撐。

2 地面數字電視不間斷電源系統設計

2.1 設備的選型

常用的UPS電源有后備式、在線互動式、在線式三種。其中，后備式和在線互動式UPS在市電正常時只是將市電經穩壓、濾波后供給負載，不可能消除市電電網上的所有干擾，市電異常時，兩者都會有將電池電能轉換為交流電的逆變時間，只是過程長短和輸出波形有所差別。而在線式UPS在開機后逆變器始終處于工作狀態，市電正常時電源通過整流器和逆變器提供給負載，同時充電器充電，當市電異常時，轉換到電池供電不需要時間，是真正的“不間斷”。市電進入UPS時，先將交流電整流濾波轉換成直流電，通過這樣的轉換，市電中幾乎所有干擾都被清除，起到了凈化電源的作用[1]。

為滿足廣播電視“不間斷、高質量、既經濟、又安全”十二字安全運維總方針的要求，大蜀山發射臺地面數字電視不間斷電源系統選擇UPS時首先應考慮在線式。由于輸出為近似標準正弦波交流電，波形失真在3%以內，提供的是無干擾的穩壓、穩額電源，再配以大容量電池箱（柜），真正實現了不間斷、高質量的供電。在具體產品的選擇上，還應注意以下4點：

1）應選用過載能力強，帶有輸入、輸出變壓器的UPS；

2）UPS輸入端可適應的電壓變化范圍要大，應大于±20%，但輸出穩定性要高，應在±1%以內；

3）應具備故障自動旁路輸出功能和維修旁路開關，以便在線維修；

4）UPS負載應為額定有功功率的25%～80%之間，建議在70%～80%之間。

經過對市場上同類產品的比較，選擇了廣東易事特EA66系列模塊化UPS電源，系統包括交流輸入輸出柜、不間斷電源主控柜和2個電池柜，其中主控柜包括系統機柜配電、功率模塊、系統監控器、靜態開關等功能模塊。

2.2 電力電纜選擇

電力電纜包括交流輸入、交流輸出和電池電纜，因交流輸出電纜是分路輸出，電池電纜為易事特公司提供，故系統搭建時主要考慮交流輸入和旁路輸入電纜的選擇。由于UPS安裝于室內，而且距離負載較近，其走線多為地溝或明線，所以一般采用銅芯橡皮絕緣電纜，其導線截面積主要考慮3個因素：符合電纜使用安全的標準，符合電纜允許的溫升，滿足電壓降要求[2]。

UPS要求最大電壓降為交流50 Hz，回路電壓降比率≤3%，直流回路電壓降比率≤1%，如果壓降超過上述范圍，必須加粗導線截面積。

大蜀山發射臺選用的EA66-060型在線式UPS，其功率容量為60 kV·A，故每相額定電流為I相=P/（3×U相×cosφ）=60/（3×220）≈95 A。而旁路輸入額定電流可略小于每相額定輸入電流，該產品規定為每相75 A。

圖1為銅芯電纜100 m長回路的電壓降比率（節選），參數為50/80 Hz，3相，380 V。根據表中數據就可算出電纜需要的截面積。

大蜀山發射臺從配電房到UPS放置地點的電纜路由總長度約80 m，比照圖中100 A電流標準可查出，35 mm2的電纜就可滿足要求。大蜀山發射臺配的電纜為25 mm2，圖中沒給出該型電纜的參數，但根據電阻與長度成正比、與截面積成反比的特點，其電壓降比率也應與電纜截面積成反比，由此可算出100 m該型電纜在100 A電流下的電壓降比率約為2.7%×35/25=3.78，這樣大蜀山發射臺電纜的電壓降比率就為3.78%×80/100=3.024%，略大于3%，為保險起見，主輸入選擇兩根電纜并聯。同樣道理，旁路輸入可比照圖1中80 A電流標準，其電壓降比率為（2.1%×35/25）×（80/100）=2.352%，選擇單根電纜接入就足夠了。

2.3 UPS的供電設計

大蜀山發射臺2個配電變壓器的次級出線接至低壓配電柜中的控制柜，由其中的2個智能控制開關控制能自動倒換給負載供電，正常情況下使用主變壓器和其對應的智能控制開關。UPS的供電有主輸入和旁路輸入兩路輸入，一般接配電柜的不同分接開關，但實際上是接在一路控制開關上的，當斷電時會倒換至另一開關維持供電。但仔細分析，這種接法是有危險的，智能控制開關就是一種ATS（Automatic Transfer Switching）開關，其本意是為了增加供電的可靠性，可一旦ATS發生故障，就會出現在用開關失電又無法及時倒換的情況。與一般的發射機類用電設備不同，UPS失電現象很難捕捉，因為UPS會轉入電池逆變供電模式，如發現不及時，電池耗盡就會導致停播，帶來巨大損失。因此，UPS要求其主輸入和旁路輸入必須來自兩路不同路由的電源，并且分別設置輸入斷路器[3]。

經考慮，在備變壓器輸出和其對應的控制開關前端之間增加一個開關柜，將P2供電柜與其他供電柜獨立分開，只與該外接開關柜輸出相連，從P2柜上分配一個分接開關作為UPS旁路供電，這樣就甩開了ATS，因發射臺絕大多數時候都只使用主變壓器和其對應的智能控制開關來給機房供電，這樣當UPS主供電失效時，即使ATS故障，旁路供電是可靠的，電池耗盡后仍會轉入旁路模式維持供電，不會發生停播。

2.4 系統搭建

確定了供電方式后，即可按UPS安裝要求進行系統搭建，需要注意的是，維修旁路應該與UPS旁路輸入使用同一電源，且相序也必須相同。

輸出端共有3個三相斷路開關和10個單相開關，前兩個三相開關分配給38CH和21CH發射機使用，另一個預留給30CH CMMB發射機，待以后UPS工作穩定后再接入；單相開關中，其中一個接到配電房作為高壓倒換控制UPS的備份，另一個接到信號機房作信號柜UPS的備份，其余的預留。系統接線圖如圖2所示。

3 新電源系統的特點

3.1 系統靜態開關

在EA66模塊化UPS電源中，靜態開關模塊主要用于逆變輸出和交流旁路電源之間的快速切換，以全面提高系統的供電安全性和可靠性。靜態開關模塊接收兩組AC輸入，選擇一組輸出，在線工作情況下，靜態開關將功率模塊逆變輸出連接到系統輸出上，如果功率模塊在某一特定時間內不能夠提供足夠的電壓，靜態開關將立即切換到旁路電源。

靜態開關采用混合型控制技術，由快速半導體器件（可控硅）和電磁接觸器并聯組成高效AC開關，它既解決了切換時間問題，又提高了靜態開關的抗沖擊和抗短路能力，使系統的可靠性、穩定性大大提高。靜態開關內部具備自檢功能、互鎖功能、系統輸出異常保護功能、瞬間掉電保護功能、輸出過載和短路保護功能等。它還具備UART通信功能，可與系統監控、模塊單元進行通信，隨時發送和接收工作指令及各種報警信息。

3.2 完善的系統監控

系統監控器位于機柜的偏上方，通過顯示、操作面板，可以方便地了解系統的工作狀態，查詢參數及各種事件信息。系統安裝完后，用戶對系統的所有操作都可以通過監控器的操作面板完成。系統監控面板示意圖如圖3所示。

系統監控器分為狀態指示燈區、數據信息顯示區、按鍵操作區。狀態指示燈區可通過LED指示燈的不同狀態向用戶提供簡單的系統狀態信息；數據信息顯示區可通過LCD顯示屏向用戶提供詳細的系統狀態信息；按鍵操作可通過9個按鍵將用戶的指令與系統聯系起來，當用戶操作按鍵時，LCD顯示屏會有相應的信息顯示，信息顯示時可為中文或英文。

3.3 多種運行方式適應不同工作場合

該UPS具有4種運行方式，通過靜態開關內部具備的自檢功能和控制功能來驅動不同電磁接觸器的開啟和關閉，切換運行模式來適應不同的工作場合。

1）正常模式

正常模式即主路輸入，開關Q2閉合后，經過AC/DC變換后，再逆變成AC交流電作為系統輸出，外設負載由AC INPUT供電，在正常模式下，開關Q4和Q5也閉合，使電池組處于充電狀態，其運行原理如圖4所示。

2）電池運行（非穩定狀態）

電池運行模式即系統無AC INPUT輸入，閉合開關Q4和Q5后，經過DC/AC轉換，系統輸出，外設負載由BATTERY供電，系統正常運行，運行原理如圖5所示。

3）旁路模式

當系統無AC INPUT輸入、電池也欠電壓時進入旁路模式，閉合開關Q1后，將旁路供電直接接到系統輸出，外設負載由BYPASS INPUT供電，運行原理如圖6所示。

4）維修旁路

為用戶外設維修旁路開關，在系統維護、維修時，首先撥動手動旁路開關SA，使系統工作在旁路供電狀態，然后合上Q6，外設負載由SERVICE PORWER供電，系統可退出運行，運行原理如圖7所示。

4 總結

大蜀山發射臺地面數字電視不間斷電源系統搭建，為發射臺幾套數字傳輸發射系統提供了高質量可靠的電源支持，使大蜀山發射臺地面數字電視發射機穩定性大大加強，故障率明顯降低，器件損壞也得以減少，保障了大蜀山發射臺數字電視節目的優質安全播出，節約了運維成本。系統搭建試運行3個月后，配合廠家進行了參數測試和驗收，結果表明，設備所有組件狀態良好，系統運行穩定。

[1]張青松.廣播電視系統中UPS電源的選型與配置[J].現代電視技術，2011（11）：132-134.

[2]中山冠虹電子有限公司.大型UPS電源的安裝[J].電源世界，2007（10）：49-52.

[3]黎蘇慶.廣播電影電視UPS供電設計[J].自動化應用，2011（7）：11-12.

[4]張建偉.廣播電視專業機房UPS電源可靠性設計實踐[J].電視技術，2012，36（14）：91-93.